一种盾构隧道管片设计参数优化方法技术

注：关于字符的问题，同一含义的表达，需采用同字符，不同含义的表达，需采用不同的字符；关于术语名称的问题，同一含义的表达，术语名称需统一本发明专利技术公开了一种盾构隧道管片设计参数优化方法，涉及工程建筑技术领域，其包括利用正交试验表和管片设计参数进行参数值组合，并形成若干工况设计方案；计算得到各工况设计方案下的盾构隧道管片最小安全系数K

An optimization method for segment design parameters of shield tunnel

【技术实现步骤摘要】
一种盾构隧道管片设计参数优化方法
本专利技术涉及工程建筑
，具体而言，涉及一种盾构隧道管片设计参数优化方法。
技术介绍
在盾构隧道管片的设计中，影响管片性能的因素有很多，主要体现在管片厚度、管片宽度、邻接块角度、封顶块角度和封顶块拼装点位。现有盾构隧道管片设计方式是基于工程经验和实际工程的要求进行设计，在几种设计方案中进行比选。根据每种设计方案建模计算得到管片的内力，选择结构受力较好的设计方案。这种方法的缺点是：由于设计参数数量较多以及人力计算的局限性，难以保证设计方案中的参数取值为最优的，不能较好的确保设计方案的安全性施工。
技术实现思路
本专利技术在于提供一种盾构隧道管片设计参数优化方法，其能够缓解上述问题。为了缓解上述的问题，本专利技术采取的技术方案如下：本专利技术提供了一种盾构隧道管片设计参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对管片宽度、管片厚度、封顶块角度、邻接块角度和封顶块点位五种管片设计参数分别取n1个参数值，利用正交试验表对五种管片设计参数进行参数值组合，并形成n2个工况设计方案；S2、计算得到各工况设计方案下的盾构隧道管片最小安全系数Kmin；S3、根据n2个工况设计方案下的五种管片设计参数和各工况设计方案对应的盾构隧道管片最小安全系数Kmin训练BP神经网络，建立管片设计参数和盾构隧道管片最小安全系数Kmin的映射关系；S4、根据管片设计参数、盾构隧道管片最小安全系数Kmin、管片设计参数和盾构隧道管片最小安全系数Kmin的映射关系，采用遗传算法，求取管片设计参数最优解，将管片设计参数最优解所对应的适应度记为Kmin0；S5、调整管片设计参数最优解，使其满足实际工程设计和施工要求，得到包含了管片宽度、管片厚度、封顶块角度、邻接块角度和封顶块点位五种最优管片设计参数的最优设计方案，计算得到最优设计方案下的盾构隧道管片最小安全系数Kminz；S6、制定误差阈值e，若Kminz-Kmin0≥-e，则继续执行步骤S7，否则跳转至步骤S3；S7、若Kminz大于步骤S2中得到的所有盾构隧道管片最小安全系数Kmin，则将Kminz所对应的最优设计方案作为最终结果输出，完成盾构隧道管片设计参数优化，否则跳转至步骤S3。本技术方案的技术效果是：对于实际盾构隧道管片设计而言，该方法的可操作性和可靠性都很强，弥补了现有盾构隧道管片设计主要依靠经验进行优化的方式的不足，可以对多个设计参数变量在更大的范围内同时进行优化，能够保证设计方案中的设计参数取值为最优的，以确保设计方案的安全性施工。可选地，所述步骤S1中，n1＝4，n2＝16。可选地，所述步骤S2与所述步骤S5中盾构隧道管片最小安全系数的计算方法相同，且包括：针对管片设计参数，建立三维壳-弹簧荷载结构有限元模型，根据三维壳-弹簧荷载结构有限元模型，计算每一环管片的最小安全系数，求取各环盾构隧道管片的最小安全系数平均值，并将其作为所述盾构隧道管片最小安全系数。本技术方案的技术效果是：三维壳-弹簧荷载结构有限元模型可以考虑到盾构管片错缝拼装的影响以及管片环向和纵向螺栓的影响，可以反映管片位移和内力在三维空间中分布；三维壳-弹簧荷载结构有限元模型建模难度低，在软件中计算量小，结果准确性高；三维壳-弹簧荷载结构有限元模型可以直接提取管片的弯矩、剪力和轴力，并用于计算管片的安全系数。具体地，所述步骤S3中，是以n2个工况设计方案下的五种管片设计参数作为输入值，各工况设计方案对应的盾构隧道管片最小安全系数Kmin作为目标输出值，训练BP神经网络，得到管片设计参数和盾构隧道管片最小安全系数Kmin的映射关系。具体地，所述步骤S4中，在采用遗传算法优化时，是以管片设计参数为决策变量，以盾构隧道管片最小安全系数Kmin作为适应度，以管片设计参数和盾构隧道管片最小安全系数Kmin的映射关系作为适应度的计算函数，在可行域和迭代次数内找到使适应度最大的管片设计参数，得到管片设计参数最优解，此时适应度记为Kmin0。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本专利技术实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1是实施例中所述盾构隧道管片设计参数优化方法的流程图；图2是实施例中包含有四环管片的盾构隧道管的示意图；图3是实施例的荷载施加示意图；图4是实施例中工况1对应的四环管片拼装点位示意图；图5是实施例中不同管片环各角度弯矩值图(单位：kN·m)；图6是实施例中不同管片环各角度轴力值图(单位：kN)；图7是实施例中不同管片环各角度安全系数图；图8是实施例中神经网络算法训练流程图；图9是实施例中MATLAB中神经网络训练模型示意图；图10是实施例中的遗传算法流程图；图11是实施例中最优方案对应四环管片拼装点位示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本专利技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例请参照图1，本实施例提供了一种盾构隧道管片设计参数优化方法，其基于1+2+N的管片分块方式(1块封顶块、2块邻接块和N块标准块)，标准块的角度可表示为：式中：θF为封顶块所对圆心角的角度，简称封顶块角度；θL为邻接块所对圆心角的角度，简称邻接块角度；θB为标准块所对圆心角的角度，简称标准块角度。S1、正交试验设计对管片宽度B、管片厚度T、封顶块角度θF、邻接块角度θL和封顶块点位S五种管片设计参数中，每种管片设计参数取4个参数值，如表1所示。需要说明封顶块点位S指在隧道模型建立过程中，取第一环管片的封顶块点位为S，然后下一环管片的位置是将上一环管片沿隧道中心竖向轴线镜像对称得到，这样可以组成错缝拼装的管片。表1中xij(i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4,5)表示第j种管片设计参数的第i个参数值。采用L16正交试验表对五种管片设计参数进行参数值组合，形成16个工况设计方案。表1管片设计参数及每种参数取值表2L16正交试验表以某一盾构隧道管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种盾构隧道管片设计参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、对管片宽度、管片厚度、封顶块角度、邻接块角度和封顶块点位五种管片设计参数分别取n1个参数值，利用正交试验表对五种管片设计参数进行参数值组合，并形成n2个工况设计方案；/nS2、计算得到各工况设计方案下的盾构隧道管片最小安全系数K

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道管片设计参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对管片宽度、管片厚度、封顶块角度、邻接块角度和封顶块点位五种管片设计参数分别取n1个参数值，利用正交试验表对五种管片设计参数进行参数值组合，并形成n2个工况设计方案；
S2、计算得到各工况设计方案下的盾构隧道管片最小安全系数Kmin；
S3、根据n2个工况设计方案下的五种管片设计参数和各工况设计方案对应的盾构隧道管片最小安全系数Kmin训练BP神经网络，建立管片设计参数和盾构隧道管片最小安全系数Kmin的映射关系；
S4、根据管片设计参数、盾构隧道管片最小安全系数Kmin、管片设计参数和盾构隧道管片最小安全系数Kmin的映射关系，采用遗传算法，求取管片设计参数最优解，将管片设计参数最优解所对应的适应度记为Kmin0；
S5、调整管片设计参数最优解，使其满足实际工程设计和施工要求，得到包含了管片宽度、管片厚度、封顶块角度、邻接块角度和封顶块点位五种最优管片设计参数的最优设计方案，计算得到最优设计方案下的盾构隧道管片最小安全系数Kminz；
S6、制定误差阈值e，若Kminz-Kmin0≥-e，则继续执行步骤S7，否则跳转至步骤S3；
S7、若Kminz大于步骤S2中得到的所有盾构隧道管片最小安全系数Kmin，则将Kminz所对应的最优设计方案作为最终结果输出，完成盾构隧道管片设计参数优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：晏启祥，文彦鑫，李彬嘉，伍旺，张生权，尹红，揭定前，
申请(专利权)人：西南交通大学，中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51